CN105822783A - 一种双心偏心球阀 - Google Patents

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章成忠
王金富
张大船
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Abstract

本发明涉及一种双心偏心球阀,包括阀体、阀盖、球体、密封阀座以及带动球体旋转的阀杆、单独的球面密封圈和密封圈压紧环等组成。阀杆旋转中心偏离通道中心线和阀座密封中线所在平面,且密封圈球面的球心与球体的球心不重合,沿通道介质流向形成反向偏心。此偏心的存在,保证了在密封中心至球体球心连线与通道中心线交角在45度情况下,球阀开启时,密封面没有相对接触和相互的滑动摩擦,使阻力和磨损达到最小状态;阀门关闭时球体迅速停止转动而没有相对滑动,随着转动力矩的增加,密封面密封比压也增加而达到密封介质的作用。这种阀门适应高温高压场合,操作省力,寿命长。

Description

一种双心偏心球阀
技术领域
本发明涉及一种球阀,尤其是一种高性能的双心偏心球阀。
背景技术
在流体控制领域随着球阀技术的发展,应用越来越广泛,其中双偏心金属硬密封球阀就是一种受到普遍重视的实用球阀结构,具有工作高温高,密封面磨损轻,使用寿命长的特点。
双偏心金属硬密封球阀典型结构如图1所示。它包括阀体1、阀盖2、位于阀体1内腔里e的球体3、与阀体2内壁连接的环形密封座4及具有与从球体3顶部连接穿出阀体1的垂直阀杆5等组成。阀体1与阀盖2由紧固件连接在一起,二者的通道孔1.1、2.1沿水平方向与内腔连通,球体3的球心O通过水平通道孔的中心线和球体通孔3.1的中心线(图示位置为垂直方向),阀杆轴线与球体球心之间具有水平方向偏心距e1和垂直方向偏心距e3,密封座设置在阀体1内腔的右侧,其左侧与球体外表面配合的部分为阀座密封面,右侧与阀盖2固定连接并与密封,密封座上的密封面的中线所在平面与阀杆轴线具有偏心距e2。当球体在阀杆5带动下,逆时针旋转90°时,阀门处于全开位置。为了保证球体通孔3.1与通道孔1.1、2.1中心线同心,偏心距e1与e3相等,因而e3不是独立变量。这就构成了偏心距为e1、e2的双偏心金属硬密封球阀。
由于这两个偏心的存在使球体由原来的绕球心轴的旋转变成了绕偏心轴的旋转,使球体变成了一个凸轮。这个球形凸轮的回转中心P和密封点M构成了回转半径。此时,如果M点沿逆时针方向旋转,球体上的M点将会很快的脱离阀座密封面而无摩擦产生。
当阀门处于完全开启状态时,球体上的通孔与阀体左右通道形成一条直通道。由于阀杆轴线同球体球心之间保持固定距离,此时再顺时针转动90°,球体通孔3.1与阀体上的通道1.1垂直,球体外表面恰好紧压在密封座的密封面上,隔断阀体左、右通道之间的连通,使阀体处于图1所示的关闭状态。此时如继续对阀杆施加顺时针方向的力矩,则密封面上的密封比压会随力矩的增大而增大,最终达到完全的密封。
发明内容
针对上述双偏心金属硬密封球阀,盖顶偏心位置P到密封面中心位置M的连线相对水平位置的夹角为θ,偏心P到球心O的连线相对水平位置的夹角为ψ,如图2所示。图中的阴影部分POM表示偏心P、球心O、密封中心M三者的相互关系,OM为球的半径,PM为偏心回转半径。由于e1=e3,ψ=45°。由图2可以看出,当θ<ψ=45°时,PM的回转轨迹在M点形成一个转折点:沿此点逆时针旋转时,PM的回转轨迹不与密封球面相接触,因而没有相互摩擦,不产生阻力和磨损;沿此点顺时针旋转时,PM的回转轨迹进入密封球面内,不会产生位移,因而当继续顺时针旋转时,就会产生密封比压而达到密封介质的作用。
当θ=ψ=45°时,密封点移到M1点,此时PM1的回转轨迹与密封球面相切,因此沿此点不论逆时针旋转还顺时针旋转都不会产生力矩密封。图中M2点为M点相对于PO线的对称镜像点,PM2的回转轨迹与PM的回转轨迹重合,θ>ψ=45°,其效果与PM的回转轨迹正好相反,即沿此点顺时针旋转时,PM2的回转轨迹进入密封球面,不会产生位移,及球体不能继续旋转,阀门不能保证全开;沿此点逆时针旋转时,PM1的回转轨迹不与密封球面相接触,球体可以无摩擦旋转。
对于θ>ψ=45°的情况显然不能满足球阀旋转90°的需要。θ=ψ=45°时,力矩密封的作用几乎体现不出来,也不是人们所希望的。只有当θ<ψ=45°时才能体现双偏心球阀的优越性:阀门从密封位置开启时无摩擦,关闭位置时,阀门越关越紧,保证阀门的可靠密封。由于M1到M2部分不是我们需要的将其加工掉就可以了。
从图2三角形POM可知:
OM2=PM2+PO2-2PO·PMcos(ψ-θ)=(PM-PO)2+2PM·PO[1-cos(ψ-θ)]
=(PM-PO)2+4PM·POsin2(ψ/2-θ/2)=(PM-PO)2+4PM·POsin2(22.5°-θ/2)。
显然,当θ减小时,球体半径将增大,因此θ取值不能太小,在θ=45°时,球体半径最小。从图2还可以看到,在θ=45°时,PM1的运行轨迹与密封球面在预紧情况下仍有较大的接触弧段,无论顺、逆时针转动都会有一段较大的滑动摩擦。在现实情况中,为了减小球体的半径,M点的位置一般都在θ=45°的位置附近。这就提出一个问题,在M点移到M1点附近(包括θ≥45°的情况)时,如何使该点仍具有图2中M点的特性?
本发明专利正是基于这一点考虑,解决了这一问题,也就是本发明专利所说的高性能双心偏心球阀。其思路为:将旋转球体的密封球面变成一个单独的密封球面,此球面的的球心为O′,与旋转球面的球心O形成一个偏心,如图3所示。
它包括阀体4、阀盖30、位于阀体4内腔里的球体8、与阀体30内壁连接的环形密封座35、具有与从球体8顶部连接穿出阀体4的垂直阀杆9、单独的球面密封圈39和固定密封圈的压紧环37等组成。阀体4、阀盖30、密封座35、阀杆9与图1对应的阀体1、阀盖2、密封座4、阀杆5所示的作用相同。球体8的球心O与图1的位置和作用也相同,所不同的是密封球面由一个单独的密封圈39构成,其球面的球心与球体8的球心不重合,而是在水平方向有一个偏心e4。压紧环37通过紧固螺钉与球体8将密封圈39压紧并与球体8密封。由于e3=e1,因此e4变成了第三偏心。因此这种高性能双心偏心球阀也可以称为一种三偏心球阀。
由于第三个偏心的存在,提升了θ角度的取值范围,如图4所示。从图中可以看到在M点仍然保持了图2所显示的特性,而在M1点即在θ=45°时,PM1的回转轨迹与M点的轨迹特性相似:沿此点逆时针旋转时,与圆心O’的密封球面相没有接触,因而没有相互摩擦,不产生阻力和磨损;沿此点顺时针旋转时,回转轨迹进入圆心O’的密封球面内,不会产生位移,因而当继续顺时针旋转时,就会产生密封比压而达到密封介质的作用。
附图说明
图1是背景技术中双偏心金属硬密封球阀示意图,图中:阀体1、阀盖2、球体3、阀座4、阀杆5;
图2是双偏心密封球阀密封原理及应用条件分析图;
图3是高性能双心偏心球阀示意图,为图5的俯视图,剖视位置通过通道中心线水平面,图中;阀体4、阀盖30、球体8、阀座35、阀杆9、密封圈39、密封圈压紧环37与图5中的零件序号相对应;
图4是高性能双心偏心球阀密封原理及优点分析图;
图5是两段式高性能双心偏心球阀具体实施的结构示意图;
图6是三段式高性能双心偏心球阀具体实施的结构示意图,图中:中阀体4、右阀体30、左阀体44;其它同图3;
图7是高性能双心偏心球阀的变形结构,是一钟具有角度偏心的锥面密封偏心球阀,图中密封圈定位销45,其它同图6。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图,仅以示意方式说明本发明的基本结构,因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图5所示的本发明一种高性能偏心球阀的优选实施例,高性能偏心球阀由阀体4、阀盖30通过螺栓31、螺母32及密封垫片33组成球阀的外壳体,并通过定位销43进行定位。球体8位于其中,球心通过水平通道中心线。球体的左侧不与阀体接触,也没有阀座,为单阀座密封球阀结构。
本阀的阀座35位于球体8的右侧,与密封圈39相接触而形成密封。阀座35通过螺钉41、弹性垫圈42与阀盖30相连接,两者之间的密封通过阀座密封圈36保证,定位销34保证阀座位置准确。
密封圈39由压紧环37通过螺钉38与球体8紧紧压在一起。沿通道中心水平面进行剖切得到如图3的视图。阀杆9与球体固定轴5构成球体8的旋转轴,此轴的轴心距到通道中心线的距离e1,距离阀座35密封中心平面的距离e2,密封圈39球面的球心与球体8的球心距离e4构成双球面偏心球阀的三个偏心。
密封圈39和阀座35的密封面一般为金属密封,密封面可采用堆焊、喷焊、表面热处理、电镀等各种硬化措施,表面硬度应达到HRC60以上。阀座的密封面考虑便于加工、研磨等条件采用可以锥面,也可以是球面。
球体8为固定球结构。固定轴5固定于下轴孔,轴孔内有滑动轴承7和位置调整垫片6,以保证球体转动灵活。固定轴5穿过阀体4下轴孔,下方紧挨底盖1,通过螺钉3与阀体连接到一起,并压紧垫片3保证阀门底部无泄漏产生。阀杆9下端插入球体8上轴孔。上轴孔有两部分组成:下方为一段与阀杆9下方圆柱配合的圆柱孔。该孔与下圆柱孔应保证同心。上轴孔的上部为矩形孔,与阀杆9的圆弧矩形面部分相配合,当阀杆转动时靠此圆弧矩形面配合带动球体转动。
阀杆9下部的直径大于上部的直径,使阀杆不会由于介质的压力或其它外力作用而飞出阀体外。上滑动轴承10和止推轴承11可以减小球体转动时的摩擦力,使阀门启闭更加轻松。阀杆9从阀体上部轴承孔穿出填料函13,通过填料14、15和填料压套17、填料压盖18,填料压紧螺栓25、螺母26的压紧作用使阀体4内的介质不能从阀杆的轴向圆柱面泄露出去。填料14、15分别为编织石墨和柔性石墨压制而成,其中编织石墨分别放在上下两层,以柔性石墨填料的磨损,具有良好的密封性能,当然也可以选择其它适用的类型填料。填料函13通过螺钉16与阀体4连接,压紧垫片12保证填料函13和阀体4的密封,并加定位销29防止填料函由于频繁转动可能产生的松动。
支架19有上下法兰和中间支撑部分组成,下法兰通过螺栓27、螺母28与填料函13连接,上法兰通过螺栓23、螺母24与驱动装置22连接。驱动装置22与阀杆通过键21、固定螺钉20连接,带动阀杆和球体转动,进而带动密封圈转动使阀门启闭。驱动装置可以是扳手、蜗轮蜗杆传动、电动、气动等驱动形式。
图5中,阀体4与阀盖30的壳体组合在现在球阀制造技术中一般称为两段式(或两体式、两块式、分体式)球阀。本例也可以做成三段式高性能双心偏心球阀,参见图6。三段式高性能双心偏心球阀适用于大口径,长结构尺寸,尤其锻造的球阀。
如发明内容中所述,高性能双心偏心球阀主要克服了图2中所示的θ=45°附近时双偏心球阀存在的密封效果不好的缺点。高性能双心偏心球阀有三个偏心决定其启闭特性,并可适当减小e1和e2的偏心量。如图4,通过M点并与通道中心线垂面与密封球面的截交线为一个圆,这里简称密封线圆。当把阀座密封面改为锥面以后,这个锥面必须要垂直于通过这个密封线圆的球面半径。改变偏心量e4就相当于改变了这个圆锥的锥角。同样的也可以将密封圈的球面做成与阀座具有相同锥角的锥面,形成锥面密封的双偏心球阀。将此锥面以密封球面的球心为轴心顺时针方向旋转一个角度α,角α又称角度偏心。高性能双心偏心球阀的基础上,密封球面经过这样的变形以后就形成了图7所示的三偏心锥面密封球阀,这里的三偏心即锥面的锥心偏离通道中心线。必须要强调的是,这个偏心是在高性能双心偏心球阀的基础上经过前述的角度偏心而得到的,不是随意设定的。
以上述依据本发明的理想实施例为启示,通过上述的说明内容,相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内,进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容,必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种高性能偏心球阀,其特征在于:包括阀体、阀盖、位于阀体内腔里的球体、与阀盖内壁连接的球面或锥面密封阀座、从球体顶部连接穿出阀体的阀杆、单独的球面密封圈和固定密封圈的压紧环等组成。球体的球心通过通道中心线。阀杆旋转中心偏离通道中心线,其至球心连线和通道中心线的夹角为45度,阀杆旋转中心偏离密封圈密封中线所在平面,密封圈的球心偏离球体的球心,位于通道中心线上,且靠近球体的球心趋于阀杆旋转中心一侧。
2.如权利要求1所述的一种高性能偏心球阀,其特征在于:球体是一个绕阀杆旋转中心转动的凸轮,此凸轮的旋转中心与球心的连线延伸到与密封圈球面相交,以旋转中心为圆心到此交点所做圆弧与密封圈球面不相切。
3.如权利要求1所述的一种高性能偏心球阀,其特征在于:密封圈密封中线最高点至球体球心连线与通道中心线交角在45度情况下,球阀开启时,密封面没有相对接触和相互的滑动摩擦;阀门关闭时球体迅速终止转动也没有相对滑动。
4.如权利要求1所述的一种高性能偏心球阀,其特征在于:所述密封阀座设在阀盖的内侧阀座孔内,其外圆与阀座孔相配合,底面与阀座孔底平面密封并固定连接及防转定位,密封面为球面或圆锥面,与密封圈球面配合密封。
5.如权利要求1所述的一种高性能偏心球阀,其特征在于:所述球体底部设有安装固定轴的轴孔,内装有配合滑动轴承。固定轴孔与阀杆同轴,并与阀体底部的固定轴孔相配合,阀体底部设置下法兰,与底部法兰盖固定连接并两者之间密封。
6.如权利要求1所述的一种高性能偏心球阀,其特征在于:所述阀体顶部设有向上的上法兰,与填料函固定连接并保持密封,填料函内装密封阀杆轴向的填料,并通过压盖装置压紧填料保证阀杆无外漏。
7.如权利要求1所述的一种高性能偏心球阀,其特征在于:所述球体上部设有与阀杆下端部相配合的圆孔,与阀杆轴线同轴,圆孔上面为矩形扳口与阀杆的扳头相配合,由此带动球体旋转,阀杆下部圆柱直径大于上部直径具有阀杆防脱和安装阀杆止推密封垫,下部圆柱配合有滑动轴承,以减小启闭摩擦力矩。
8.如权利要求1所述的一种高性能偏心球阀,其特征在于:所述阀杆下部圆柱直径大于上部直径具有阀杆防脱和安装阀杆止推密封垫,下部圆柱配合有滑动轴承,以减小启闭摩擦力矩。
9.如权利要求1所述的一种高性能偏心球阀,其特征在于:填料函或阀体上装有连接支架,支架上安装有蜗杆蜗轮传动机构,其中蜗轮连接阀杆上部,蜗杆连接手轮。
10.如权利要求1所述的一种高性能偏心球阀,其特征在于:所述密封圈密封面除了可为球面外,还可以是与阀座相同的锥面,此锥面是在双心偏心球阀的基础上将球面拉伸为锥面,此时密封圈的球心就是密封圈密封中线各点垂直于过该点母线的垂线共同的交点。
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